改進(jìn)的模糊控制算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用探討

周魯 張輝軍 楊曉驥

摘要：在機(jī)器人導(dǎo)航過程中，必須確保路徑規(guī)劃的正確性與有效性，但目前，模糊控制算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃時仍存在局部最小值問題，為解決這一問題，本文結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，提出一種新的模糊控制算法--基于行為的模糊控制算法。本文就該種改進(jìn)的模糊控制算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：模糊控制算法;移動機(jī)器人;路徑規(guī)劃;行為控制

針對模糊控制算法的局限性，提出了基于行為的模糊控制算法，在機(jī)器人路徑規(guī)劃中應(yīng)用這一算法時，首先將機(jī)器人的運(yùn)動行為進(jìn)行分解，將其分解為目標(biāo)趨向行為與躲避障礙行為，針對這兩種移動行為設(shè)定相關(guān)的模糊規(guī)則，控制機(jī)器人做有效動作，也就是完成路徑規(guī)劃^【1】。下文首先就基于行為的模糊控制算法做簡要分析。

1改進(jìn)的模糊控制算法分析

1.1模糊邏輯控制器

模糊邏輯控制器中有以下幾組參數(shù)：DL、DF、DR。其中，DL表示通過傳感器感知到與左邊物體間的距離;DF代表通過傳感器感知到與前邊物體間的距離;DR代表通過傳感器感知到與右邊物體間的距離，（N，M，F(xiàn)）分別表示它們的模糊子集，且（N，M，F(xiàn)）分別對應(yīng)于通過傳感器感知到的距離為近，中，遠(yuǎn)^【2】。

同時，在了解機(jī)器人運(yùn)行目標(biāo)地點(diǎn)坐標(biāo)與當(dāng)前運(yùn)行方向間的夾角時，我們用T表示，而D則代表機(jī)器人當(dāng)前所在位置與目標(biāo)位置間的距離，確定距離時，分別用（Z，N，M，F(xiàn)）表示，這幾個模糊子集對應(yīng)的距離為：無距離，近距離，中度距離以及遠(yuǎn)距離。而（Z，S，M，，B）則表示機(jī)器人在移動過程中的速度，Z表示機(jī)器人靜止不動，S表示機(jī)器人在慢速移動，M表示機(jī)器人在以中速移動，B表示機(jī)器人正在快速移動。機(jī)器人在移動過程中若檢測到有障礙物存在，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角，旋轉(zhuǎn)角也有對應(yīng)的模糊子集，具體為（TLB，TLS，TZ，TRB，TRS），TLB表示機(jī)器人未產(chǎn)生移動速度，TLS 表示機(jī)器人在慢速旋轉(zhuǎn)中，TZ表示機(jī)器人在中速旋轉(zhuǎn)中，TRB，TRS等依次對應(yīng)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)速度^【3】。

1.2模糊規(guī)則

機(jī)器人配置有傳感器，通過傳感器，機(jī)器人可感知到障礙物的存在，并根據(jù)感知結(jié)果，采取相應(yīng)躲避動作，如避障，邊沿跟蹤，目標(biāo)導(dǎo)向。但無論機(jī)器人采取哪種動作，都是根據(jù)相應(yīng)的避障算法^【4】。如機(jī)器人在移動過程中通過傳感器感知到正在逐步將障礙物靠近或行駛到狹窄道路，根據(jù)避障算法，機(jī)器人會采取減速避障動作，以確保順利到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。通常情況下，機(jī)器人與障礙物存在以下位置關(guān)系：（1）機(jī)器人正朝障礙物移動，機(jī)器人的正前方為障礙物;（2）機(jī)器人的左前方為障礙物;（3）機(jī)器人的右前方為障礙物;（4）機(jī)器人的前方存在障礙物;（5）機(jī)器人的右前方與正前方存在障礙物;（6）機(jī)器人的右前方與左前方存在障礙物;（7）機(jī)器人在移動過程中感知不到障礙物存在。

1.3目標(biāo)趨向行為

目標(biāo)趨向行為指的是機(jī)器人在移動過程中感知不到周圍有障礙物存在時，機(jī)器人會啟動目標(biāo)導(dǎo)向行為，向目標(biāo)地行進(jìn)^【5】。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在移動過程中會一直向著目標(biāo)前進(jìn)，因此需要建立避障行為的模糊規(guī)則庫，不斷調(diào)整方向角進(jìn)行避障，這樣方能保證機(jī)器人動作的時效性與安全性。

2模糊控制算法實(shí)驗(yàn)測試

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)定

（1）變量。變量是應(yīng)用模糊控制算法時不可缺少的內(nèi)容，因此在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時，首先需正確設(shè)定模糊控制器中的變量，準(zhǔn)確設(shè)定變量后，方能進(jìn)行后續(xù)工作。

（2）主循環(huán)。主循環(huán)部分主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人傳感器的循壞檢測，并根據(jù)條件設(shè)置相應(yīng)的反應(yīng)函數(shù)。反映函數(shù)設(shè)定后，移動機(jī)器人的動作會受反應(yīng)函數(shù)控制，如機(jī)器人在移動過程中若感應(yīng)到有障礙物存在，控制程序就會啟動，機(jī)器人會執(zhí)行模糊控制子函數(shù);若機(jī)器人在移動過程中未能檢測到障礙物，則趨向動作子程序就會啟動，機(jī)器人仍會按照預(yù)定軌跡完成工作任務(wù)^【6】。

（3）目標(biāo)趨向程序。機(jī)器人在工作過程中，傳感器會向機(jī)器人釋放兩種信號，一是在存在障礙物的信號，二是不存在障礙物的信號。而在傳感器正常工作的情況下，若存在以下兩種情況傳感器不會感知到周圍有障礙物存在：一是機(jī)器人周圍不存在障礙物;二是障礙物與機(jī)器人距離太遠(yuǎn)，障礙物超出傳感器感應(yīng)范圍，傳感器無法感應(yīng)到障礙物。在此情況下，機(jī)器人會根據(jù)坐標(biāo)位置與目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)位置夾角的正負(fù)來改變機(jī)器人本身的運(yùn)動反向，使機(jī)器人逐漸向目標(biāo)點(diǎn)移動^【7】。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

為驗(yàn)證基于行為的模糊控制算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的可靠性，我們設(shè)計(jì)一個仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明。首先，設(shè)定一個起點(diǎn)與終點(diǎn)（起點(diǎn)與終點(diǎn)間不是直線且存在障礙物），在相關(guān)控制程序中設(shè)置機(jī)器人的起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)，打開傳感器，讓機(jī)器人按照既定規(guī)則移動，在移動過程中，機(jī)器人出現(xiàn)繞墻行走行為，這一行為正是模糊控制算法的體現(xiàn)^【8】。同時，機(jī)器人在移動過程中若感知到障礙物，其會自動采取避障措施，如重新選擇一條路徑行進(jìn)，最終到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，而在未感知到有障礙物存在的情況下，機(jī)器人會按照設(shè)定路線，在一定時間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，完成工作任務(wù)。通過這一仿真實(shí)驗(yàn)，有效驗(yàn)證了基于行為的模糊控制算法的可行性，完善了改進(jìn)的模糊控制算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用。

3技術(shù)分析

一直以來，機(jī)器人的路徑規(guī)劃都是一個重難點(diǎn)問題，為有效解決這一問題，本文提出一種改進(jìn)的模糊控制算法，該種算法能在環(huán)境位置或部分未知的環(huán)境下，根據(jù)傳感器獲得的信息，詳細(xì)掌握障礙物的位置、尺寸、形狀等信息，使機(jī)器人及時采取避障動作，重新規(guī)劃、選擇路徑，有效消除故障影響，確保機(jī)器人及時完成工作任務(wù)。在應(yīng)用基于行為的模糊控制算法規(guī)劃機(jī)器人行走路徑時，需以模糊集合理論為基礎(chǔ)，設(shè)定出模糊推理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：推理單元，模糊化輸出接口、模糊化輸入接口與知識庫。在建立起模糊推理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)后，就需合理建立模糊控制器，建立模糊控制器時首先需正確選擇輸入輸出變量，確保變量能準(zhǔn)確反映出系統(tǒng)工作機(jī)制，其次需要定義這些變量的模糊子集，并用模糊規(guī)則建立輸入集與輸出集的關(guān)系，之后對模糊控制器的核心部分進(jìn)行模糊推理，最終完成路徑規(guī)劃。

結(jié)語

綜上所述，在機(jī)器人導(dǎo)航過程中，路徑規(guī)劃是不可缺少的環(huán)節(jié)，但以往在應(yīng)用模糊控制算法設(shè)定路徑時，經(jīng)常會出現(xiàn)局部最小值問題，本文重點(diǎn)對這一問題做了改進(jìn)完善，提出將機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃行為分解為趨向目標(biāo)行為與避障行為的觀點(diǎn)，并以此觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的精準(zhǔn)控制，有效完成了路徑規(guī)劃。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于行為的模糊控制算法是正確有效的，可以在機(jī)器人路徑規(guī)劃中進(jìn)行應(yīng)用。

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第一作者簡介：周魯（1972.07--），男，漢族，碩士研究生，信息系統(tǒng)高級工程師。

第二作者簡介：張輝軍（1989.12--），男，漢族，本科，機(jī)械自動化工程師。

第三作者簡介：楊曉驥（1984.05--），男，漢族，本科，研究方向：軟件工程。

（作者單位：克拉瑪依油城數(shù)據(jù)有限公司）